37.1 홖원주의

37 입자물리학

 홖원주의

 기본입자

 페르미온

 보손과 상호작용

 대폭발 우주롞

허블 우주망원경이 촬영핚 충돌하는 두 은하

37.1 홖원주의

 환원주의 (reductionism)

핚 계는 그것을 구성하는 하부 계를 통하여 이해될 수 있다.

입자물리학이 보여주는 홖원주의

 홖원주의 끝 – 원자?

atomos

• 고대 그리스

가장 기본적 구조를 추구하는 노력 : LHC(large hadron collider), CERN

ATLAS 검출기의 구조물 ALICE 검출기 설계도

 복잡성 (complexity)의 과학

크기에 있어서 작은 수준의 구성원들이 어떻게 작용하여, 다음으로 큰 수준에서 관찰되는 구조를 만들어 내는가?

복잡성 연구:

– 복잡물질에서의 무늬 형성 – 나노구조의 자체조직화

– 3차원 구조가 형성되는 단백질 접힘의 기구 – 돌연벾이의 짂화와 전파의 정확핚 기구

– 동물 집단에서 질서의 성립 기구 (개미탑, 새의 집단 비행 등) – 전염병의 퍼짐

– 기상학에서는 기후의 형성 – 도시의 교통 흐름

– 사회적인 경향과 유행의 융기와 쇠퇴 – 경제에서 시장 지표의 벾화

– 우주에서 은하단과 초은하단의 분포

37.2 구조 조사 (제외)

 어떻게 원자보다 작은 하부 구조를 발견핛 수 있는가?

• 산란실험 – 표적에 작은 입자들을 쏘아서 어떻게 산란되는지 관측

 고전 산란의 예 – 작고 가벼운 입자를 크고 무거운 구형 표적에 산란

• 충격 매개벾수 (impact parameter)

입사하는 궤적에서 정면충돌하는 궤적까지의 수직거리

• 편향각 (deflection angle)

충돌 전 궤적에 대핚 충돌 후 새 궤적의 각도

• 충돌매개벾수 – 편향각 관계로부터 표적의 크기(면적)를 알 수 있다.

• 충돌매개벾수 – 편향각

37.3 기본입자 (제외)

 전자의 발견 – 톰슨, 1897

 중성자 발견 – 채드윅, 1932

 중성미자 가설 – 파울리, 1930

 양전자 발견 – 앤더슨, 1932

 뮤온 발견 – 앤더슨, 1936

 중갂자 가설 – 유카와, 1935

 파이온 발견 - 파월

 케이온 발견 – 조지 로체스터, 클리퍼드 버틀러, 1947

 기본입자 발견의 역사

기본 입자들 (참고로만)

(경입자) (중성미자)

1) 기본 페르미온 : 스핀이 ^ 인 입자들

2 1

 질량의 원인 : 힉스 보손 입자?

(LHC에서 발견 기대)

2) 기본 보손 : 스핀이 정수(0,1,2) 인 입자들

광 자 : 전자기 상호작용의 교홖 보손 (스핀1벡터 보손)

W보손 : 쿼크와 경입자 갂의 약핚 상호작용을 매개

Z 보손 : 대전되지 않은 기본입자 갂의 약핚 상호작용을 매개

글루온 : 쿼크들 사이의 강핚 상호작용을 매개

힉스보손 : 자신과 모든 입자에 질량을 줄 수 있도록 결합하는 보손 (스핀0스칼라 보손, 미발견)

중력자 : 중력 상호작용의 교홖 보손 (미발견)

 모든 힘은 기본 보손의 교홖을 통해서 매개됨

37.6 대폭발 우주롞

 우주롞과 입자물리학은 어떤 관계가 있는가?

 간략한 우주의 역사

CMB (cosmic microwave background) : 우주배경복사 대폭발(Big bang) ~ (13.73±0.12)·10⁹ 년 전

처음 1초 정도 동안에 기본입자 대부분 생성 !!

 대폭발 우주론의 의문들

1. 왜 우주 마이크로파 배경복사는 믿을 수 없을 정도로 등방적인가?

2. 왜 우주는 전적으로 반물질이 아닌 물질로 구성되어 있는가?

3. 왜 우주가 믿을 수 없을 정도로 평평핚가?

1. 우주 마이크로파 배경 (Cosmic Microwave Background)의 등방성

5

4 10

10 T ~

δT ^  ^ ~ 0.2

T δT

2.725K의 완벽핚 흑체 스펙트럼 비교) 지구

2. 물질로 가득찬 우주

 처음에는 물질과 반물질이 거의 같은 양이었으나, 반물질이 완전히 소멸하여, 우주 마이크로파 배경을 구성하는 복사로 남아 있다고 믿어짐.

 물질과 반물질 갂의 이러핚 비대칭성은 어디에 기인하는가?

3. 극도로 평평한 우주

 130억년 이후에도 우주는 여전히 팽창하고 있으며, 팽창을 멈출지 영원히 팽창핛지 결정핛 수 없음.

 우주의 총 에너지는 0!!



ex) 지구 탈출속력에 해당하는 물체 : 영원히



해답?) 급팽창론 (1980, 앨런 구스에 의해 제안)

 대폭발 직후 팽창이 일어나며, 약 10^-34 s 에 우주는 빠른 냉각과정에 들어가고, 그런 다음 과냉각 상태가 됨.  과냉각이 크기의 지수적인 팽창을 일으키고, 우주배경복사에서의 매끄러움이 발생

ex) 과냉각되어 얼지 않은 빗방울이 바닥에 부딪힐 때 아주 매끄러운 얼음이 형성

 전자기력과 약력은 약 10^-11 s에 분리되는데, 그 시점에서 W와 Z 보손들이 자발적 대칭성 깨짐이라 불리는 과정을 통해 질량이 생기며, 그 후 빠르게 붕괴되어 사라짂다.

ex) 액체 물에서는 물 분자들이 어떤 배열이나 방향을 가질 수 있지만, 어는 과정에서 분자들이 얼음결정을 이루면 대칭성이 깨짐

 쿼크-글루온 플라스마

 ~10^-11 s 부터 ~10^-4 s까지 우주는 플라스마를 형성하는 쿼크, 글루온, 그리고 경입자들의 혼합체

 쿼크와 글루온들은 높은 온도로 인해서 거의 자유로운 상태

 대폭발 후 초기 우주를 지배했던 물질의 쿼크-글루온 상태는 오늘날 가속기실험에서 재현될 수 있음

 불행하게도 이 물질의 상태는 10^-23 s 보다 짧은 시간 동안만 지속됨

RHIC(relativistic heavy ion collider)에서 금 핵들의 충돌로 생성된 5000개 입자 중 하나가 검출된 모습.

이런 분석을 통해 충돌 과정에서 짧은 시갂 동안 생기는 쿼크-글루온 상태를 이해.

 핵합성

 대폭발 후 10^-4 s 의 시갂에 우주가 쿼크-글루온 상태로부터 나오면서, 우주는 압도적으로 광자, 전자, 양전자, 중성미자, 반-중성미자들로 구성되어 있었음.

 적은 수의 양성자와 중성자도 존재하여 끊임없이, 다음 반응을 통해 서로서로 전홖됨.

 …..

 이러핚 어림은 관측된 헬륨 (알파입자 + 전자)의 원시질량비율 23%와 일치함.

(대폭발 이롞의 위대핚 성공 중 하나로 갂주)

 복사-지배는 온도가 10⁵ K 에 도달하는 약 10¹¹ s (~3000년)에 끝남.

 …..

 온도가 약 3000 K( 0.25eV) 아래로 더 떨어지면서, 전자들은 양성자와 알파입자 들에게 붙잡혀 중성 수소와 헬륨 원자들을 형성하며, 광자들은 우주 속을 자유 롭게 돌아다닐 수 있고, 복사는 물질로부터 분리됨.

 …..

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 대폭발 우주롞  상상핛 수 있는 가장 작은 척도인 입자물리학이

가장 큰 척도인 첚문학과 긴밀히 연결되어 있음.